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科研论文

试谈小学科学的科学本质教学

作者:转载 来源:浙江教育资源网点击数: 发布时间:2020-02-25 09:48
    摘要:本文从科学本质的视角,结合具体课例就数据整理与分析、证据意识、逻辑推理和想象力诸方面进行阐述与分析,浅谈课堂实践的一些做法。科学本质是科学素养的内涵之一,教学中以科学本质的若干要素为抓手,让学生在科学探究学习中逐步体悟科学本质。体现科学本质的教学,有利于学生科学概念的形成,体验科学探究的过程与方法,培养学生的实证意识和科学态度。
    关键词:小学科学   数据分析   证据   科学本质
 
    “收集和获取证据,从实证中得出结论”是学生探究式学习中最为重要的因素,因为这两个要素是体现科学本质的核心部分。[1]PISA2015科学素养的测试框架中,能力是中心,它由“科学地解释现象”,“评估和设计科学探究”,和“科学地解读数据和证据”这三部分组成。可见,两者皆聚焦于“科学本质”,表明了体现科学本质教学的重要性。许多学者的研究成果都认为,发展学生完整的科学本质观有利于学生的科学学习和科学素质的提高。[2]教师要树立科学本质观下的科学教学理念,并将之转化为在科学课堂中的实践。本文试就科学本质教学略谈一些教学实践与认识。
    一、细致观察、直观呈现,助推学生科学概念的形成
    数据收集可以通过观察、测量、实验和调查等手段得到。收集数据前,往往需要事先设计记录数据的表格,以便及时记录与整理。这是数据分析,得出结论的前提和基础。在科技发达的今天,数据的内涵已大大扩展,包括数,也包括言语、信号、图像,凡是能够承载事物信息的东西都构成数据。[3]数据是信息的载体,当作为证明的事实和材料时,即为证据。
    观察记录与整理的方式很多,常用的有图表记录、文字描述、科学图画、示意图、概念图、维恩图等。应根据不同的观察对象和学生的年龄特点合理运用,这样才能更好地提取与分析数据,促进学生科学概念的形成和认识的发展。并让学生体会到数据是蕴涵着信息的,尽可能多地提取信息。[4]
    五下《沉浮与什么因素有关》一课有两组变量控制实验。笔者对记录单进行了改进,引导学生用画图的方式对沉浮现象作具体细致的记录,让学生的思维可视化。此法直观形象,便于比较分析。记录方法是:把你的预测和观察到的沉浮现象,把物体放置于相应的位置中。(实验结果如下图)


    此实验不只只是简单的沉浮判断,更重要的是要让学生能从中感受到随着重量或体积的变化,物体的沉浮相应地发生变化,感受沉浮变化的过程。这样处理,有助于学生对实验现象作出准确、深入的描述与分析。[5]基于细致的观察与画图方式的记录,学生很容易发现其中的规律。即:大小相同,轻重不同的一组物体:轻的容易浮、重的容易沉;轻重相同,大小不同的一组物体:大的容易浮,小的容易沉。学生对这一描述性概念的内涵的理解就比较深刻。
    从预测到实验验证,暴露学生的原有想法,当与现察到的事实不符时,就有了认知冲突,从而达到修正认识,发展对物体沉浮的进一步认识。若稍作引导,学生就能推断到,体积大、重量小的物体更容易浮;体积小、重量大的物体更容易沉。这样,学生科学概念的发展更加深入。
    统计图表是以简化的形式对数据进行整理和呈现,在小学科学实验记录中运用比较多。有时,为了更直观形象地呈现数量大小,在统计表的基础上,再绘制统计图。
    四上《温度与气温》一课,测量记录同一地点不同时间的温度。

测量时间 清晨6时 上午9时 中午12时 下午3时 傍晚6时
气温(℃) 23 28 30 29 24
    问题设计:从上图中你获得了什么信息?根据上图学生就很容易了解到什么时候温度最高,什么时候最低温度等信息。发展水平稍高的学生还能解读到从清晨到下午温度逐渐升高,然后又会下降。
    此外,还可以引导学生进行推测。如,你推测一下晚上9时的温度是多少?
    通过分析,让学生体会到数据是蕴涵信息的,尽可能多地提取信息,数据是具有一定的预测功能的。
    二、注重讨论、质疑,培养学生的证据意识
    科学需要证据。教学中不仅要让学生体会现象和数据蕴涵着信息,更要认识到要“小心求证”,结论的得出需要足够的证据支撑。
    六下《小苏打和白醋的变化》一课。小苏打和白醋混合后,产生了大量气体,这是什么气体呢?
    实验一:将燃烧的火柴梗伸进集气瓶中,现察到什么现象?
    实验二:把集气瓶中的气体倒在蜡烛的火焰上,观察什么现象?
    实验后梳理总结这种不知名气体的特点:无色、透明、能灭火、比空气重。一开始,部分学生会说:“这是二氧化碳”。这时,引导学生进行交流、质疑和辩论。二氧化碳确实也具有上述特点,那么这种不知名的气体真的是二氧化碳吗?说说你的理由。教学中发现有几位学生“心领神会”地猜测到可能不是,可能其他气体也能灭火,比空气重。此时,课堂中就会有不同的意见和想法。教师组织学生深入讨论与分析:根据“能灭火、比空气重”特点,为什么还不能说这一定是二氧化碳?
    经过一番交流和辨析,教师结合资料讲解:事实上,氩、氙等稀有气体也符合“能灭火、比空气重”等特点,我们的实验证据还不足以判明产生的是什么气体,但是,科学家经过大量的研究,确定这种气体是二氧化碳,它是空气的组成部分。二氧化碳气体能使燃着的火焰熄灭。让学生体会“经过大量的研究”的背后含义——还需要找更多的证据来证明这种气体是二氧化碳。
    显而易见,这样做是有利于培养学生的科学思维和质疑精神,让学生懂得足够的证据才能做出正确的判断,得出结论需要严密的逻辑推理。让学生体验什么才是真正的科学,怎样像科学家那样“做科学”,克服经验主义。这是本课“情感态度价值观”目标。笔者认为,这恰恰是本课最具科学教育价值之所在。
    类似的案例,在小学科学课中还很多。吕文焕老师的《“不能确定”才是真正的科学结论》一文中:五下《马铃薯在液体中的沉浮》一课,关于“让马铃薯浮起来的是什么液体”两则教学案例就很典型。一则案例:“得出这是食盐”;另一则案例:“不能确定”。显然,第二则案例:学生经历了一个推理、证实、质疑的科学探究过程,没有明确的结论其实就是真正的科学结论。[6]
    科学课中有些实验结论是“不能确定”的,因为证据不足以支撑结论。通常,学生先进行实验观察,获得相关数据、信息,做出初步的判断,但不能确定。然后结合相关阅读资料或引用科学家的研究成果进行确认。一开始不是采用直接告诉的方式,而是让学生经历探究,进行讨论、分析与推理。“不能确定”蕴含了学生的实证意识和质疑精神,体会到科学探究也是一种社会交往性活动,需要交流,公开自己的探究成果,并接受别人的质疑与评判,不断修正和完善自己的认识。
    三、进行归纳推理训练,培养学生逻辑思维能力
    “现在提倡探究式的方法来进行科学教育,是一种归纳式的教学方法。让学生从自己身边的事实出发,逐步建构出概念来,亲历概念形成的过程,以在掌握概念的同时,学会探究的方法,培养他们探究的能力。” [7]
    小学科学课中,有许多概念的形成,结论的得出是通过归纳推理得来的。归纳是从特殊到一般的过程,结论不一定正确,它属于合情推理。尽管如此,对于发现新事实,获得新结论,提供研究方向具有重要作用。
    五下第二单元第3课《液体的热胀冷缩》。学生通过实验观察水在受热和受冷时的体积变化,了解到水具热胀冷缩的性质。然后引导学生:其他液体也热胀冷缩吗?这部分的教学分两个活动。
    活动1:利用身边易得、廉价液体,让学生再次经历与“水”一样的探究过程。
    活动2:进行思维活动。让学生通过观察和思考“为什么诸如啤酒瓶或饮料瓶里面的啤酒、饮料都不会装满”等问题。
    通过活动与分析,认识到这些液体也有热胀冷缩的性质。全课总结时,学生会看着板书说,水、米醋、酱油、雪碧、可乐、啤酒、黄酒等液体具有热胀冷缩的性质。这时,教师追问:是否就可以肯定所有液体都有热胀冷缩的性质了呢?显然,当学生认为所有液体都具有热胀冷缩的性质,运用的是不完全归纳推理。而不完全归纳推理的结果有时是不正确的。因此,教师要组织学生讨论与分析,最后形成共识。我们研究了这只种液体,只能说明这部分液体有热胀冷缩的性质。并补充水的反常膨胀现象:水在4℃以上是热胀冷缩,但在0℃到4℃之间却是热缩冷胀。让学生对液体的热胀冷缩性质有一个完整的认识。这是对学生归纳推理这种思维形式的训练,也是培养学生严谨的科学态度。类似情形下,学生就会懂得“谨慎地下结论”。
    第4课《空气的热胀冷缩》,通过实验学生知道了空气也具有热胀冷缩的性质,并通过模拟空气“微粒”运动的游戏来尝试解释水和空气的热胀冷缩现象。
    第5课《金属热胀冷缩吗》,教学设计思路基本同第3课。实验后学生知道了铜球会热胀冷缩,钢条也能热胀冷缩,那么是不是可以说金属都能热胀冷缩呢?这时学生就会认识到需要对更多的金属物体进行观察研究。显然,对每种金属都观察研究一遍是不可能的、不现实的。怎样办呢?了解科学家的研究成果是一种很好的解决办法。让学生阅读资料,了解到自然界中确定存在物体的热缩冷胀现象,如锑和铋。
    最后,对前几节课所学的知识作一归纳总结。基于我们所掌握的证据作出结论:许多物体具有热胀冷缩的性质。既提升学生对物体热胀冷缩性质的认识,又不失推理的严密性。
    四、重视猜想、预测,培养学生的科学想象力
    科学是逻辑与想象的结合体。科学需要证据、需要逻辑,同时也需要想象,以更好地推动科学发展。爱因斯坦说过:想象力比知识更重要,因为知识是有限的,而想象力概括着世界的一切,推动着进步,并且是知识进化的源泉。严格地说,    想象力是科学研究中的实在因素。
    科学概念不会仅从数据中、从一定量的分析中自动地形成。科学家还常常进行猜测,提出假设等,然后再进行检验求证,探索事物的本来面目。[8]在科学研究中,这两种思维方式往往是相互结合在一起运用的。
    学生进行观察实验前,教材往往设计了猜想、预测或推测环节,到了六年级有了“假设”环节,这些都是科学探究活动的重要内容和环节。学生进行猜想和预测的过程,就是展开想象的过程,是学生进行创新思维的具体体现。因此,在教学中要重视猜想、预测环节,引导学生展开合理的想象,发展学生的思维。
    小学科学教材有一些“解暗箱”类型的课,是培养学生逻辑推理和想象力的好材料。我们的人体就是一个大暗箱,内部的情况学生谁都没有见到过。四下《我们的身体》单元中,骨骼、关节和肌肉是怎样共同完成工作的、心脏是怎样博动的、血液是怎样循环的、吃下去的食物到哪里去了及食物在体内的消化过程是怎样的,等等。这许多内容都不允许也不可能将这个暗箱打开来研究,[9]这就需要学生展开合理的想象。
    心理学告诉我们:学生的想象力与表象有直接关系,想象的水平依赖于表象的数量和质量。表象越丰富,想象越开阔、深刻。教学中要创造条件和机会,让学生亲历探究、体验探究,多进行观察、实验及其他课内外实践性活动,不断吸收新的信息,增加见识,丰富表象,为想象打下坚实的基础。
    四下《不一样的电路连接》有“解暗箱”内容,是培养学生想象力的好材料。
    [环节一] 了解盒子外面和盒子内部的关系。
    方法:观察接线盒及用数字标注的四个接线柱;打开盒盖,观察到1号和3号接线柱是用导线连接的;盖上盒盖,用电路检测器检验,只有当检测器的两个线头同时接触1号和3号接线柱时,小灯泡才会亮。
    通过学生的观察与检测活动,建立联系,充实表象,为后面活动做好了铺垫
[环节二] 检测并记录检测结果
    材料设计:每组学生的接线盒里面的连接是不同的,是下图中的其中一种。
    方法:讨论怎样检测不遗漏又不重复,启发学生有序检测;师生共同设计记录表后学生检测。

     学生检测记录如下表:
  1-2 1-3 1-4 2-3 2-4 3-4
通路      
断路      
 
    通过检测与记录,收集信息,为下面的合理推测和想象提供依据。
     [环节三]  推测接线盒内部是怎样连接的。
    方法:推测结果画一画;交流讨论哪种推测是合理的;打开接线盒的盒盖,看看里面到底是怎样连接的。
    基于以上的活动,引导学生推测和想象,试解“黑匣子”的秘密。学生会发现,根据小灯泡点亮的情况会有多种合理的推测,可以有不同的解释。反过来,看似不同的连接方式,呈现的结果却是一样的。
    教师应注意挖掘教材所蕴含的“想象力”素材,有目的地培养学生的想象力和推理能力。
    教师要树立科学本质观下的科学教学理念。在科学教学中引导学生对证据的关注,多方面获取证据,并从实证中得出结论,使学生认识到证据的重要性。适时组织学生开展交流、讨论与质疑活动,让科学探究走向深刻。科学是逻辑和想象的结合体,拥有这对翅膀,学生的探究活动更加理性,更具创造性。科学教学要从课程培养目标出发,结合学科特点,实施科学本质教学,这对于培养学生的科学素养具有重要意义。
 
 
 
 
参考文献:
[1]韦钰.探究式学习中的五个基本要素[J].中国科技教育,2011(11).
[2]蔡铁权,陈丽华.体现科学本质的科学教育[J].全球教育展望,2012(10).
[3][4]贾福录,宋燕晖,张丹.数据分析观念的理解[J].小学数学教育,2012(7-8).
[5]任存宝.基于实验教学中收集证据的若干思考[J].中国教育技术备,2009(29).
[6]吕文焕.不能确定”才是真正的科学结论[J].现代教育科学,2012(1).
[7]韦钰.为什么我们要围绕科学概念来组织科学教育[EB/OL].[2016-5-1]. http://blog.handsbrain.com/weiyu/entry/390391.
[8]美国科促会2061计划.科学的性质[EB/OL].[2016-5-1].
http://2061.cast.org.cn/n11115958/n11117730/n11153356/11158870.html.
[9]林维超.要重视学生科学想象力的培养[J].科学课,2007(2).
 


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